許獻磊，馬 正，李俊鵬，梁 爽

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；2.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司，北京 100083)

隨著城市化進程的加快發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴大，地鐵已成為解決城市交通問題的有效途徑。以北京市為例，截至2018年地鐵的運營線路總里程已經(jīng)達到 600 km，我國地鐵建設(shè)已進入了快速發(fā)展階段[1-3]。地鐵的大量建設(shè)也產(chǎn)生了一些工程技術(shù)難題，如由于設(shè)計、施工等原因,地鐵隧道管片背后常出現(xiàn)脫空和滲水病害,伴隨混凝土退化、鋼筋銹蝕、襯砌背后土壓力的變化等相關(guān)問題的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致隧道塌方、涌水、涌泥等災(zāi)害發(fā)生，給地鐵隧道的施工和運營造成極大危害[4-7]。因此，如何對地鐵隧道管片后脫空及滲水病害進行檢測并實現(xiàn)對病害屬性的劃分,是控制施工質(zhì)量、消除質(zhì)量隱患、保障地鐵運營安全的關(guān)鍵。

盾構(gòu)隧道的注漿處理是在一定的注漿壓力下,將注漿材料填入盾尾空隙內(nèi),待其固結(jié)硬化后起到充填管后結(jié)構(gòu)空隙、提供一定承載能力、防止圍巖或土體松弛下沉作用[3，8]。造成隧道管片背后脫空和滲水現(xiàn)象的主要原因有：①施工工藝。誤認為圍巖壓力是由管片承受而注漿僅起到輔助作用，錯誤思想導(dǎo)致了施工馬虎，產(chǎn)生了注漿不密實等缺陷。②混凝土收縮。施工時對原材料質(zhì)量控制不嚴，砂粒過細、水泥用量過大、混凝土水灰比過大等都對混凝土收縮產(chǎn)生影響。③圍巖壓力。隧道局部地段圍巖性狀變化和地下水富集,對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響[9-11]。物探技術(shù)的快速發(fā)展為地鐵隧道管片后脫空及滲水病害檢測提供了重要手段，其中探地雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)技術(shù)是一種用電磁波反射來確定隱蔽目標體的技術(shù)，并以其無損、快捷以及淺層高分辨率的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)及隧道工程病害檢測中。2005年葉良應(yīng)[10]對地鐵隧道病害進行了探地雷達探測研究，2007年張豐收[11]對盾構(gòu)隧道探地雷達探測的介電特性和實際應(yīng)用進行了研究，2012年張弛[12]應(yīng)用探地雷達在成都2號線對盾構(gòu)施工擾動帶進行了探測。2018年Amir等應(yīng)用探地雷達對隧道上方結(jié)合點的結(jié)構(gòu)進行探測，為維修提供信息[13]。因地鐵隧道的特殊性和隱蔽性，目前基于GPR的管片后病害檢測仍然存在檢測精度低、屬性難以劃分的問題。

本文針對上述問題開展管片后的脫空和滲水病害檢測方法研究，通過正演模擬分析管片后脫空和滲水病害的雷達波反射特征，在此基礎(chǔ)上研究病害的識別算法以及病害屬性劃分的標準，將不同種類病害分級以指導(dǎo)施工修復(fù)。

1 地鐵隧道管片后病害檢測原理

GPR是一種對介質(zhì)表面下的特征高辨識率成像的電磁波技術(shù),其工作原理如圖1所示[14]。該技術(shù)通過天線連續(xù)拖動的方式向隧道管片的外法線方向發(fā)射高頻電磁波，電磁波信號在傳播時遇到存在電性(介電常數(shù))差異的界面時，會反射、透射和折射。反射的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，通過雷達主機精確記錄反射回的電磁波的運動特征，獲得隧道管片背后介質(zhì)的斷面掃描圖像，通過對掃描圖像進行處理和圖像解譯，達到識別管片后脫空和滲水病害目標體的目的。

電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。因此，所謂電性界面也就是電磁波傳播的速度界面。不同的地質(zhì)體(物體)具有不同的電性，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上都會產(chǎn)生回波。電磁脈沖波旅行時間t為

(1)

式中：z為勘查目標體的埋深；x為發(fā)射、接收天線的距離(因z>>x，故x可忽略)；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

2 管片后病害的雷達特征分析

地鐵隧道管片后病害出現(xiàn)的位置主要集中在隧道壁后1 m范圍以內(nèi)的區(qū)域，參見圖1。該區(qū)域可分為3層：管片層(30 cm)、注漿層(約30 cm)，巖/土層(約40 cm)，管片背后脫空和滲水病害常出現(xiàn)在注漿層和巖/土層中或管片層和注漿層的交界位置。實際情況中，隧道結(jié)構(gòu)的各層介質(zhì)材料均為非均勻色散介質(zhì)，電導(dǎo)率和介電常數(shù)均存在一個變化范圍[15]。為了簡化模型，本文在進行空洞正演模擬過程中設(shè)定：

1)選取的各層介質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)均為確定值，見表1。

表1 隧道正演模型參數(shù)

2)管片為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為了更好地獲取病害的雷達特征，在進行正演模型搭建時去掉了鋼筋以避免鋼筋帶來的干擾[16]。

基于表1中的參數(shù)，分別建立了不同大小、不同深度的隧道管片后脫空和滲水病害共16個，并利用GPRMax軟件進行正演模擬?；谏鲜?種病害目標對其不同大小和不同深度分別進行建模，脫空病害區(qū)域中的介質(zhì)均為空氣，滲水病害區(qū)域中的介質(zhì)為水土混合物，其他條件均相同。因雷達波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和中心頻率，本研究主要應(yīng)用400，900 MHz 2個頻率進行正演模擬。

2.1 脫空病害的正演模擬

分別對不同埋深、寬度和高度的脫空區(qū)域進行建模對比，見圖2。所得探地雷達圖像見圖3。

圖2 脫空病害正演模型

圖3 以A掃描道組合形式呈現(xiàn)的脫空病害雷達圖像

由圖3可見：管片層、注漿層及巖/土層3層的分層特征較為明顯，脫空病害在雷達圖像上均呈現(xiàn)為開口向下的拋物線狀，電磁波穿越空洞模型時產(chǎn)生多次反射，并有繞射發(fā)生；對于同尺寸脫空病害模型，隨著其埋深的增加，拋物線在雷達圖像中呈現(xiàn)整體向下偏移的情況，且拋物線頂端的振幅值逐漸減??；在其他條件相同的情況下，拋物線的曲率隨著脫空病害模型寬度的減小而逐漸增大；在其他條件相同的情況下，隨著脫空病害高度的增加，模型底面在雷達圖像中的反射界面也隨之向下偏移，繞射和反射現(xiàn)象也愈加明顯。另外，相較于400 MHz雷達圖像，900 MHz雷達圖像有更高的分辨率，細部信息更加豐富，層位及異常頂?shù)捉缑娓用黠@。

2.2 滲水病害的正演模擬

分別對不同埋深、寬度和高度的滲水區(qū)域進行建模對比，見圖4。所得探地雷達圖像見圖5。

圖4 滲水病害正演模型

圖5 以A掃描道組合形式呈現(xiàn)的滲水病害雷達圖像

從圖5可以看出：管片層、注漿層及巖/土層3層的分層特征較為明顯，滲水病害在雷達圖像上均呈現(xiàn)為開口向下的拋物線狀，電磁波在穿越滲水病害時產(chǎn)生明顯繞射，病害體內(nèi)多次反射現(xiàn)象在雷達圖像中不明顯；對于同尺寸滲水病害模型，隨著其埋深的增加，拋物線在雷達圖像中呈現(xiàn)整體向下偏移的情況，且拋物線頂端的振幅值逐漸減?。辉谄渌麠l件相同的情況下，拋物線的曲率隨著滲水病害模型寬度的減小而逐漸減小；在其他條件相同的情況下，隨著滲水病害模型高度的增加，模型底面在雷達圖像中的反射界面也隨之向下偏移，繞射現(xiàn)象也愈加明顯。另外，相較于400 MHz 雷達圖像，900 MHz雷達圖像有更高的分辨率，細部信息更加豐富，層位及異常頂?shù)捉缑娓用黠@。

3 管片后病害的識別與屬性劃分

3.1 病害的識別

對采集的雷達數(shù)據(jù)首先進行如下處理：①零線設(shè)定；②背景去噪；③一維濾波；④小波變換；⑤增益處理。從處理后的雷達圖像即可確定病害可能出現(xiàn)的區(qū)域，然后對該區(qū)域進行識別和分析，判斷該區(qū)域是否存在病害并且屬于哪一種可能的病害。探地雷達數(shù)據(jù)病害信息的識別首先要對原信號進行必要的分解，以便于獲取信號中反映隧道管片背后脫空和滲水病害信息的特征指標。本文主要采用K-L變換的信號分解方法。然后再利用追蹤算法，實現(xiàn)病害的識別。核匹配追蹤方法是通過貪婪算法在基函數(shù)字典中尋找一組基原子的線性組合來逼近目標函數(shù)，該線性組合即為所要求解的決策函數(shù)[17-18]。

已知測量N次的樣本數(shù)據(jù)為(x,y)，其中x,y均為N維向量。目標是通過一種方法找到x與y之間的映射關(guān)系。匹配追蹤算法將這種關(guān)系定義為若干基函數(shù)的線性組合，即

(2)

令函數(shù)gi=K(x,y)，K(x，y)為核函數(shù)。常見的核函數(shù)有高斯核函數(shù)、多項式核函數(shù)、S形核函數(shù)等。本文采用的高斯核函數(shù)為

(3)

核匹配追蹤方法的基本流程為：首先將訓練數(shù)據(jù)從輸入空間映射到高維希爾伯特空間中，通過計算樣本間的核函數(shù)值來代替樣本在高維空間中的向量內(nèi)積，并由相應(yīng)的核函數(shù)值生成基函數(shù)字典，最后采用貪婪算法求解。根據(jù)本文的病害識別方法，對脫空病害和滲水病害的正演模擬結(jié)果進行處理。識別結(jié)果見圖6(以模型1為例)。

圖6 病害模型識別結(jié)果

3.2 病害屬性劃分標準

地鐵隧道各層介質(zhì)的地球物理特征決定了電磁波在其中傳播的形態(tài)，因此探測區(qū)域介質(zhì)的地球物理特征是地質(zhì)雷達檢測成果解釋的重要依據(jù)。當隧道管片背后出現(xiàn)病害時，“混凝土、水、巖/土”三相比也會相應(yīng)發(fā)生變化，相對介電常數(shù)的變化成為探地雷達方法檢測病害的理論依據(jù)之一[19]。

目前數(shù)據(jù)解釋暫無法給隧道病害進行分類，異常區(qū)域解釋結(jié)果基本采用脫空、含水等籠統(tǒng)概念，解釋結(jié)果無法直接有效指導(dǎo)施工修復(fù)方案。根據(jù)現(xiàn)場普查分析和試驗，本文在分析綜合資料的基礎(chǔ)上，將地鐵隧道管片背后病害屬性劃分為6個類別：輕微疏松、中等疏松、嚴重疏松、脫空、一般滲水、嚴重滲水，判斷的依據(jù)為雷達回波的波組形態(tài)、振幅和相位特性、吸收衰減特性等。

隧道病害屬性及其圖譜特征見表2。其中，脫空區(qū)域?qū)儆趪乐厝毕莓惓?，包括隧道支護空洞，空洞會導(dǎo)致圍巖失去應(yīng)有的支護而松弛變形，導(dǎo)致失穩(wěn)脫落，嚴重會發(fā)生突變性崩塌。疏松區(qū)域結(jié)合其規(guī)模和影響范圍可劃分為輕微疏松、中等疏松和嚴重疏松3級。滲水異常根據(jù)其發(fā)育規(guī)模以及危害程度可分為一般滲水異常和嚴重滲水異常。

表2 病害屬性劃分標準

4 探測應(yīng)用試驗

4.1 數(shù)據(jù)采集

為驗證地質(zhì)雷達對地鐵隧道管片后病害探測的效果，本研究選擇廈門地鐵2號線的湖濱中路站至育秀東路站段進行探測試驗。該段隧道左側(cè)緊鄰筼筜湖，距離湖岸30 m，施工15 d后發(fā)現(xiàn)部分隧道管片表面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，見圖7(a)，現(xiàn)場雷達數(shù)據(jù)采集見圖7(b)。

圖7 試驗區(qū)現(xiàn)場

本次探測采用的儀器為中國礦業(yè)大學(北京)自主研發(fā)的GR-IV型便攜式探地雷達主機和400，900 MHz 雷達屏蔽天線，儀器見圖8。雷達數(shù)據(jù)采集的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：①天線中心頻率為400，900 MHz；②采樣時窗分別為70，25 ns；③采樣點數(shù)為512；④共設(shè)置測線4條，在隧道兩側(cè)各布置2條測線，分別在隧道的上肩部和中部，4條測線呈對稱分布。

圖8 探地雷達儀器

4.2 探測結(jié)果

對采集的雷達數(shù)據(jù)依次進行數(shù)據(jù)預(yù)處理和病害識別。其中，根據(jù)廈門地鐵的實際情況，本研究中的管片層、注漿層、巖/土層的相對介電常數(shù)分別設(shè)置為6，8，15。以測線1(右上肩)和測線4(左中)為例，處理后的探地雷達圖像見圖9。

對處理后的探地雷達圖像進行病害識別，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查并排除各種干擾信號引起的異常后，按照3.2節(jié)病害屬性劃分標準對病害屬性進行判定，本探測試驗結(jié)果為：共檢測出異常區(qū)域23處，其中滲水異常區(qū)域13處，脫空異常區(qū)域10處。測線1檢測出4處滲水異常區(qū)和3處脫空異常區(qū)；測線2未發(fā)現(xiàn)明顯異常區(qū)；測線3檢測出3處滲水異常區(qū)和3處脫空異常區(qū)；測線4檢測出6處滲水異常區(qū)和4處脫空異常區(qū)。

5 結(jié)論及建議

針對目前GPR技術(shù)在地鐵隧道管片背后脫空和滲水病害檢測中存在的受干擾影響大、檢測精度低的難題，提出了一種地鐵隧道管片背后病害的快速探測方法。同時，根據(jù)雷達回波波組形態(tài)、振幅和相位特性、吸收衰減特性等方面特征，初步建立了管片背后脫空和滲水病害屬性劃分標準，進而將不同種類病害分級以指導(dǎo)施工修復(fù)，為保障地鐵隧道施工及運營安全提供有效的技術(shù)支撐。

目前，本方法還存在如下問題：

1)受現(xiàn)實條件的制約，地鐵隧道內(nèi)的探測結(jié)果并不能全部進行實際驗證。

2)病害屬性劃分還需人機交互進行，一定程度上依賴于作業(yè)者的經(jīng)驗。

未來應(yīng)從改進病害識別算法、病害屬性自動劃分兩方面著手，通過構(gòu)建合理的物理模型來研究并實現(xiàn)對地鐵隧道管片背后病害的快速、精準探測，為施工修復(fù)提供更好的服務(wù)。